作者：李gh 时间：2025-10-20
氢顺序燃烧（Staged Hydrogen Combustion） 是一种将燃烧过程分成多个阶段（或称“级”）进行的技术，通过控制燃料（如氢气）和氧化剂（通常是空气或氧气）的分阶段引入，实现更温和、更可控的燃烧过程。在传统燃烧中，燃料和氧化剂通常一次性混合并迅速燃烧，可能导致局部高温、氮氧化物（NOx）生成过多等问题。而顺序燃烧通过分阶段引入燃料，使燃烧过程更加均匀，从而降低峰值温度，减少NOx等有害排放，本研究通过对比甲烷-氢气混合燃料（FCH4）与纯氢燃料（FH2），首次揭示了燃料反应活性对不稳定模式的根本性影响。本文主要讲述CERCO紫外镜头用于光学诊断系统架构、高帧率燃烧诊断方案。
研究背景
为实现《巴黎协定》碳中和目标，重型燃气轮机需向100%氢燃料转型。恒定压力顺序燃烧技术（CPSC）因兼具高效率和超低NOx排放成为理想解决方案，但其在氢燃料下暴露核心问题：热声振荡与自燃事件的强耦合效应。这种耦合在纯氢工况下尤为剧烈，可能引发高振幅压力脉动（>150 dB），导致结构疲劳失效风险。本研究通过对比甲烷-氢气混合燃料（FCH4）与纯氢燃料（FH2），首次揭示了燃料反应活性对不稳定模式的根本性影响。
光学诊断系统架构、核心成像设备：
-CERCO 45 mm UV镜头（F/1.8）：专为紫外波段优化的大光圈镜头，F/1.8超大通光孔径显著提升弱光捕捉能力。
-配合LaVision高速CMOS相机（5000 fps）与像增强器（HS-IRO），实现微秒级瞬态捕捉。
-310 nm窄带滤光片（半宽10 nm）精准隔离OH*化学发光信号（波长307-310 nm）。
在纯氢燃烧中成功捕获自燃核心的脉冲式演化（脉宽≈0.3 ms），为建模提供时空分辨率数据。
燃烧器与工况设计
双燃料对比：
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参数 |
FCH4（甲烷-氢混合） |
FH2（纯氢） |
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总热功率 |
88 kW |
86 kW |
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一级功率占比PS |
52%-58% |
41%-48% |
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自燃延迟时间 |
毫秒级 |
亚毫秒级 |
关键调节机制：通过改变一级燃烧功率占比（PS），控制时序燃烧器（SB）入口温度（变化达100 K），触发不同自燃模式。
燃料反应活性主导不稳定性演化
FCH4：渐进式超临界分岔
-声学特征：单主频振荡（270-300 Hz），振幅随PS增加平缓上升。
-火焰动态：OH发光呈准正弦波动*，自燃核心在声压波谷期形成。火焰主要稳定在燃烧室，自燃事件仅发生于SB下游。
注：下图来自光电倍增器的瞬时(左)和相位平均(右)信号，阴影区域表示与平均值的一个标准差内的数据范围。
FH2：亚临界分岔与间歇性震荡
光学诊断系统声学特征：
多谐波频谱：基频~400 Hz，2-5倍频振幅相当。
间歇性跳跃：PS=44%-45%时系统在稳定态与极限环间随机切换。
注：第一级燃烧室（P3）中记录的压力信号。FCH4（左侧）和 FH2（右侧）配置下的结果。功率分配 PS从上到下逐渐增加。
火焰革命性现象：
-脉冲式自燃：OH*信号呈尖锐脉冲（脉宽0.3 ms），与声压基频严格同步。
-空间演化：燃料反应活性，自燃核心在SB上游形成，高速扩散合并产生爆燃式HRR峰值。
注：上图：在热声循环的四个不同时刻，从 FH2-E 工况点获取的瞬时（左）和相位平均（右）OH* 化学发光场。符号 * 和 ⋆ 分别表示新形成的自燃核心及上一周期的燃烧区域。
下图：光电倍增管的瞬时（左）和相位平均（右）信号。阴影区域表示数据在均值一个标准差范围内的分布。相位 ϑ基于频率 f1的声学模式。
自燃触发机制
三阶段间歇性爆发：
-起始期（I）：随机自燃核心产生局部压力脉冲
-发展期（II）：声学-自燃完全耦合，形成极限环
-衰退期（III）：点火失败导致振荡衰减
注：从上至下分别为：第一级燃烧室压力信号、光电倍增管采集的 OH* 化学发光信号，以及 OH* (t,z) 场分布。独立的自燃事件及其产生的声脉冲分别用 * 和 ◊ 符号标记。虚线标示了阶段 I、II 和 III 的边界。数据来源于 FH₂-C 工况点。
传统模型局限
VdP振荡器模型可描述FCH4准正弦响应，但完全失效于FH2脉冲特性。
脉冲反馈项：
模拟自燃核心的宽度(w)与振幅(A)参数
同步机制：声压基频过零点触发脉冲，低通滤波（flp=550 Hz）确保基频锁定
复现能力：当自燃反馈占比>95%时，精准生成多谐波谱：
注：左图：与不同模式相关的带通滤波压力信号的压力谱；右图：这些分量的缩放压力联合分布。所有谱均通过最大峰值幅度进行归一化处理以便比较。
上图：实验结果；下图：为引用论文[1] 第 4.3 节所述几种 LOM（振幅 λ可变）生成的合成结果。联合直方图由参数 λ=12000、Pai=98%的 LOM 生成。
纯氢燃烧稳定性瓶颈：
-亚毫秒级自燃延迟导致声学敏感度提升10倍（较FCH4）
-脉冲式HRR引发宽频激励，需开发声学阻尼器谐波抑制技术
CERCO镜头的优势：
- CERCO紫外镜头光学性能：UV镜头45 mm焦距/F1.8光圈在310 nm波段透光率>90%，远超常规镜头
-工业诊断价值：首次量化氢自燃核心时空尺度（位置精度±0.5 mm，时间精度±0.2 ms），为控制算法提供关键参数。
CERCO紫外镜头、UV镜头采用氟化钙(CaF2)紫外透射镜片，消除310 nm波段色差，配接像增强器后信噪比提升8倍。本研究通过CERCO 45 mm UV镜头引领的高时空分辨率诊断，基于脉冲宽度(w≈0.3 ms)设计主动燃料调制阀，利用OH*脉冲相位开发实时失稳预警系统。首次揭示氢顺序燃烧中声学-自燃脉冲耦合机制，并建立首例精准复现该现象的LOM模型。成果为氢燃气轮机宽负荷稳定运行提供了理论工具与设计准则，推动能源系统深度脱碳。
References：
[1] Matteo Impagnatiello, Sergey Shcherbanev, Bayu Dharmaputra, Nonlinear dynamics and thermoacoustic intermittency of a hydrogen-powered sequential combustor. Combustion and Flame 274 (2025) 114008.
[2] T. Lieuwen, B. Emerson, V. Acharya, I. Gupta, Roles for combustion in a net-zero CO2 society, Proc. Combust. Inst. 40 (1) (2024) 105753.
